Mặc dù mạng Ethernet được sử dụng rộng rãi nhưng công nghệ truyền thông dựa trên DSL vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay. Cho đến nay, DSL có thể được tìm thấy trong các mạng chặng cuối để kết nối thiết bị thuê bao với mạng của nhà cung cấp Internet và gần đây công nghệ này ngày càng được sử dụng nhiều trong việc xây dựng mạng cục bộ, ví dụ như trong các ứng dụng công nghiệp, trong đó DSL hoạt động như một phần bổ sung cho Ethernet. hoặc mạng hiện trường dựa trên RS-232/422/485. Các giải pháp công nghiệp tương tự đang được sử dụng tích cực ở các nước châu Âu và châu Á phát triển.
DSL là một họ các tiêu chuẩn ban đầu được hình thành để truyền dữ liệu số qua đường dây điện thoại. Trong lịch sử, nó trở thành công nghệ truy cập Internet băng thông rộng đầu tiên, thay thế DIAL UP và ISDN. Sự đa dạng của các tiêu chuẩn DSL hiện đang tồn tại là do nhiều công ty, bắt đầu từ những năm 80, đã cố gắng phát triển và tiếp thị công nghệ của riêng họ.
Tất cả những phát triển này có thể được chia thành hai loại lớn - công nghệ bất đối xứng (ADSL) và đối xứng (SDSL). Bất đối xứng đề cập đến những trường hợp trong đó tốc độ của kết nối đến khác với tốc độ của lưu lượng đi. Theo tính đối xứng, chúng tôi muốn nói rằng tốc độ thu và truyền là bằng nhau.
Trên thực tế, các tiêu chuẩn bất đối xứng nổi tiếng và phổ biến nhất là ADSL (trong phiên bản mới nhất - ADSL2+) và VDSL (VDSL2), đối xứng - HDSL (cấu hình lỗi thời) và SHDSL. Tất cả chúng đều khác nhau ở chỗ chúng hoạt động ở các tần số khác nhau và sử dụng các phương pháp mã hóa và điều chế khác nhau trên đường truyền vật lý. Các phương pháp sửa lỗi cũng khác nhau, dẫn đến mức độ chống ồn khác nhau. Do đó, mỗi công nghệ đều có những giới hạn riêng về tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu, tùy thuộc vào loại và chất lượng của dây dẫn.
Giới hạn của các tiêu chuẩn DSL khác nhau
Trong bất kỳ công nghệ DSL nào, tốc độ truyền dữ liệu đều giảm khi chiều dài cáp tăng lên. Ở khoảng cách cực xa, có thể đạt tốc độ vài trăm kilobit, nhưng khi truyền dữ liệu trên 200-300 m thì tốc độ tối đa có thể đạt được.
Trong số tất cả các công nghệ, SHDSL có một ưu điểm vượt trội giúp nó có thể sử dụng nó trong các ứng dụng công nghiệp - khả năng chống ồn cao và khả năng sử dụng bất kỳ loại dây dẫn nào để truyền dữ liệu. Điều này không xảy ra với các tiêu chuẩn bất đối xứng và chất lượng truyền thông phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của đường truyền được sử dụng để truyền dữ liệu. Đặc biệt, nên sử dụng cáp điện thoại xoắn. Trong trường hợp này, giải pháp đáng tin cậy hơn là sử dụng cáp quang thay vì ADSL và VDSL.
Bất kỳ cặp dây dẫn nào cách ly với nhau đều phù hợp với SHDSL - đồng, nhôm, thép, v.v. Phương tiện truyền dẫn có thể là dây điện cũ, đường dây điện thoại cũ, hàng rào dây thép gai, v.v.
Sự phụ thuộc của tốc độ truyền dữ liệu SHDSL vào khoảng cách và loại dây dẫn
Từ biểu đồ tốc độ truyền dữ liệu theo khoảng cách và loại dây dẫn cho SHDSL, bạn có thể thấy rằng dây dẫn có tiết diện lớn cho phép bạn truyền thông tin trên khoảng cách xa hơn. Nhờ công nghệ này, có thể tổ chức liên lạc trong khoảng cách lên tới 20 km với tốc độ tối đa có thể là 15.3 Mb/giây đối với cáp 2 dây hoặc 30 Mb đối với cáp 4 dây. Trong các ứng dụng thực tế, tốc độ truyền có thể được đặt thủ công, điều này cần thiết trong điều kiện nhiễu điện từ mạnh hoặc chất lượng đường truyền kém. Trong trường hợp này, để tăng khoảng cách truyền dẫn cần giảm tốc độ của thiết bị SHDSL. Để tính toán chính xác tốc độ tùy theo khoảng cách và loại dây dẫn, bạn có thể sử dụng phần mềm miễn phí như .
Tại sao SHDSL có khả năng chống ồn cao?
Nguyên lý hoạt động của bộ thu phát SHDSL có thể được biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối, trong đó phân biệt một phần cụ thể và độc lập (bất biến) theo quan điểm ứng dụng. Phần độc lập bao gồm các khối chức năng PMD (Phụ thuộc môi trường vật lý) và PMS-TC (Lớp TC cụ thể vật lý), trong khi phần cụ thể bao gồm lớp TPS-TC (Lớp TC cụ thể theo giao thức truyền) và giao diện dữ liệu người dùng.
Liên kết vật lý giữa các bộ thu phát (STU) có thể tồn tại dưới dạng một cặp hoặc nhiều cáp đơn. Trong trường hợp có nhiều cặp cáp, STU chứa nhiều PMD độc lập được liên kết với một PMS-TC duy nhất.
Mô hình chức năng của bộ thu phát SHDSL (STU)
Mô-đun TPS-TC phụ thuộc vào ứng dụng mà thiết bị được sử dụng (Ethernet, RS-232/422/485, v.v.). Nhiệm vụ của nó là chuyển đổi dữ liệu người dùng sang định dạng SHDSL, thực hiện ghép kênh/phân kênh và điều chỉnh thời gian của một số kênh dữ liệu người dùng.
Ở cấp độ PMS-TC, các khung SHDSL được hình thành và đồng bộ hóa cũng như xáo trộn và giải xáo trộn.
Mô-đun PMD thực hiện các chức năng mã hóa/giải mã thông tin, điều chế/giải điều chế, khử tiếng vang, đàm phán tham số trên đường truyền và thiết lập kết nối giữa các bộ thu phát. Ở cấp độ PMD, các hoạt động chính được thực hiện để đảm bảo khả năng chống nhiễu cao của SHDSL, bao gồm mã hóa TCPAM (mã hóa Trellis với điều chế xung tương tự), cơ chế mã hóa và điều chế chung giúp cải thiện hiệu suất phổ của tín hiệu so với một cơ chế riêng biệt. phương pháp. Nguyên lý hoạt động của mô-đun PMD cũng có thể được biểu diễn dưới dạng sơ đồ chức năng.
Sơ đồ khối mô-đun PMD
TC-PAM dựa trên việc sử dụng bộ mã hóa tích chập để tạo ra chuỗi bit dự phòng ở phía máy phát SHDSL. Ở mỗi chu kỳ xung nhịp, mỗi bit đến đầu vào bộ mã hóa được gán một bit kép (dibit) ở đầu ra. Vì vậy, với chi phí dự phòng tương đối ít, khả năng chống nhiễu truyền tải được tăng lên. Việc sử dụng điều chế Trellis cho phép bạn giảm băng thông truyền dữ liệu đã sử dụng và đơn giản hóa phần cứng trong khi vẫn duy trì cùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.
Nguyên lý hoạt động của bộ mã hóa Trellis (TC-PAM 16)
Bit kép được hình thành bằng phép toán cộng modulo-2 (độc quyền hoặc) logic dựa trên bit đầu vào x1(tn) và các bit x1(tn-1), x1(tn-2), v.v. (tổng cộng có thể có tối đa 20 trong số chúng), đã được nhận ở đầu vào bộ mã hóa trước đó và vẫn được lưu trong các thanh ghi bộ nhớ. Ở chu kỳ xung nhịp tiếp theo của bộ mã hóa tn+1, các bit sẽ được dịch chuyển trong các ô nhớ để thực hiện một phép toán logic: bit x1(tn) sẽ di chuyển vào bộ nhớ, dịch chuyển toàn bộ chuỗi bit được lưu trữ ở đó.
Thuật toán mã hóa tích chập
Bảng chân trị của phép cộng modulo 2
Để rõ ràng, sẽ thuận tiện khi sử dụng sơ đồ trạng thái của bộ mã hóa tích chập, từ đó bạn có thể biết trạng thái của bộ mã hóa tại các thời điểm tn, tn+1, v.v. tùy thuộc vào dữ liệu đầu vào. Trạng thái bộ mã hóa trong trường hợp này có nghĩa là một cặp giá trị của bit đầu vào x1(tn) và bit trong ô nhớ đầu tiên x1(tn-1). Để xây dựng sơ đồ, bạn có thể sử dụng biểu đồ, tại các đỉnh có các trạng thái có thể có của bộ mã hóa và việc chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được biểu thị bằng các bit đầu vào x1(tn) tương ứng và các bit đầu ra $inline$y ₀y ₁(t ₀)$nội tuyến$.
Sơ đồ trạng thái và đồ thị chuyển tiếp của bộ mã hóa tích chập máy phát
Trong máy phát, dựa trên bốn bit nhận được (hai bit đầu ra của bộ mã hóa và hai bit dữ liệu), một ký hiệu được hình thành, mỗi ký hiệu tương ứng với biên độ riêng của tín hiệu điều chế của bộ điều chế xung tương tự.
Trạng thái của AIM 16 bit tùy thuộc vào giá trị của ký tự XNUMX bit
Về phía bộ thu tín hiệu, quá trình ngược lại xảy ra - giải điều chế và lựa chọn từ mã dự phòng (bit kép y0y1(tn)) của chuỗi bit đầu vào cần thiết của bộ mã hóa x1(tn). Hoạt động này được thực hiện bởi bộ giải mã Viterbi.
Thuật toán bộ giải mã dựa trên việc tính toán số liệu lỗi cho tất cả các trạng thái bộ mã hóa dự kiến có thể có. Số liệu lỗi đề cập đến sự khác biệt giữa các bit nhận được và các bit dự kiến cho mỗi đường dẫn có thể. Nếu không có lỗi nhận thì chỉ số lỗi đường dẫn thực sẽ bằng 0 vì không có sự phân kỳ bit. Đối với các đường dẫn sai, số liệu sẽ khác XNUMX, liên tục tăng và sau một thời gian, bộ giải mã sẽ ngừng tính toán đường dẫn sai, chỉ để lại đường dẫn đúng.
Sơ đồ trạng thái bộ mã hóa được tính toán bởi bộ giải mã Viterbi của máy thu
Nhưng làm thế nào để thuật toán này đảm bảo khả năng chống ồn? Giả sử rằng người nhận nhận được dữ liệu bị lỗi, bộ giải mã sẽ tiếp tục tính toán hai đường dẫn có chỉ số lỗi là 1. Đường dẫn có chỉ số lỗi bằng 0 sẽ không còn tồn tại. Nhưng thuật toán sẽ đưa ra kết luận về đường dẫn nào là đúng sau này dựa trên các bit kép tiếp theo nhận được.
Khi xảy ra lỗi thứ hai, sẽ có nhiều đường dẫn có số liệu 2, nhưng đường dẫn chính xác sẽ được xác định sau dựa trên phương pháp khả năng tối đa (tức là số liệu tối thiểu).
Sơ đồ trạng thái bộ mã hóa được bộ giải mã Viterbi tính toán khi nhận dữ liệu bị lỗi
Trong trường hợp được mô tả ở trên, làm ví dụ, chúng tôi đã xem xét thuật toán của hệ thống 16 bit (TC-PAM16), đảm bảo truyền ba bit thông tin hữu ích và một bit bổ sung để bảo vệ lỗi trong một ký hiệu. TC-PAM16 đạt tốc độ dữ liệu từ 192 đến 3840 kbps. Bằng cách tăng độ sâu bit lên 128 (các hệ thống hiện đại hoạt động với TC-PAM128), sáu bit thông tin hữu ích được truyền trong mỗi ký hiệu và tốc độ tối đa có thể đạt được nằm trong khoảng từ 5696 kbps đến 15,3 Mbps.
Việc sử dụng điều chế xung tương tự (PAM) làm cho SHDSL tương tự như một số tiêu chuẩn Ethernet phổ biến, chẳng hạn như gigabit 1000BASE-T (PAM-5), 10-gigabit 10GBASE-T (PAM-16) hoặc Ethernet 2020BASE cặp đơn công nghiệp -T10L, hứa hẹn cho năm 1 (PAM-3).
SHDSL qua mạng Ethernet
Có các modem SHDSL được quản lý và không được quản lý, nhưng cách phân loại này có ít điểm chung với sự phân chia thông thường thành các thiết bị được quản lý và không được quản lý tồn tại, chẳng hạn như đối với bộ chuyển mạch Ethernet. Sự khác biệt nằm ở công cụ cấu hình và giám sát. Các modem được quản lý được định cấu hình qua giao diện web và có thể được chẩn đoán qua SNMP, trong khi các modem không được quản lý có thể được chẩn đoán bằng phần mềm bổ sung qua cổng bảng điều khiển (đối với Phoenix Contact, đây là chương trình PSI-CONF miễn phí và giao diện mini-USB). Không giống như bộ chuyển mạch, modem không được quản lý có thể hoạt động trong mạng có cấu trúc liên kết vòng.
Mặt khác, modem được quản lý và không được quản lý hoàn toàn giống nhau, bao gồm chức năng và khả năng hoạt động theo nguyên tắc Plug&Play, nghĩa là không có bất kỳ cấu hình sơ bộ nào.
Ngoài ra, modem có thể được trang bị chức năng chống đột biến điện với khả năng chẩn đoán chúng. Mạng SHDSL có thể hình thành các đoạn rất dài và dây dẫn có thể chạy ở những nơi có thể xảy ra điện áp tăng vọt (sự chênh lệch điện thế gây ra do phóng điện sét hoặc đoản mạch ở các đường cáp gần đó). Điện áp cảm ứng có thể gây ra dòng điện phóng điện cỡ kiloampe. Vì vậy, để bảo vệ thiết bị khỏi những hiện tượng như vậy, SPD được tích hợp sẵn trong modem dưới dạng một bo mạch có thể tháo rời, có thể thay thế nếu cần thiết. Đường SHDSL được kết nối với khối đầu cuối của bo mạch này.
Cấu trúc liên kết
Sử dụng SHDSL qua Ethernet, có thể xây dựng mạng với bất kỳ cấu trúc liên kết nào: điểm-điểm, đường dây, hình sao và vòng. Đồng thời, tùy theo loại modem mà bạn có thể sử dụng cả đường truyền 2 dây và 4 dây để kết nối.
Cấu trúc liên kết mạng Ethernet dựa trên SHDSL
Cũng có thể xây dựng các hệ thống phân tán với cấu trúc liên kết kết hợp. Mỗi đoạn mạng SHDSL có thể có tới 50 modem và xét đến khả năng vật lý của công nghệ (khoảng cách giữa các modem là 20 km), chiều dài đoạn có thể đạt tới 1000 km.
Nếu một modem được quản lý được cài đặt ở đầu mỗi phân đoạn như vậy thì tính toàn vẹn của phân đoạn đó có thể được chẩn đoán bằng SNMP. Ngoài ra, modem được quản lý và không được quản lý đều hỗ trợ công nghệ Vlan, nghĩa là chúng cho phép bạn chia mạng thành các mạng con hợp lý. Các thiết bị này cũng có khả năng hoạt động với các giao thức truyền dữ liệu được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa hiện đại (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, v.v.).
Đặt trước các kênh liên lạc bằng SHDSL
SHDSL được sử dụng để tạo các kênh liên lạc dự phòng trong mạng Ethernet, thường là kênh quang.
SHDSL và giao diện nối tiếp
Modem SHDSL với giao diện nối tiếp khắc phục các hạn chế về khoảng cách, cấu trúc liên kết và chất lượng dây dẫn tồn tại đối với các hệ thống có dây truyền thống dựa trên bộ thu phát không đồng bộ (UART): RS-232 - 15 m, RS-422 và RS-485 - 1200 m.
Có các modem có giao diện nối tiếp (RS-232/422/485) cho cả ứng dụng phổ thông và ứng dụng chuyên dụng (ví dụ: dành cho Profibus). Tất cả các thiết bị như vậy thuộc danh mục "không được quản lý", do đó chúng được định cấu hình và chẩn đoán bằng phần mềm đặc biệt.
Cấu trúc liên kết
Trong các mạng có giao diện nối tiếp, sử dụng SHDSL có thể xây dựng các mạng với cấu trúc liên kết điểm-điểm, đường dây và hình sao. Trong cấu trúc liên kết tuyến tính, có thể kết hợp tối đa 255 nút vào một mạng (đối với Profibus - 30).
Trong các hệ thống được xây dựng chỉ sử dụng thiết bị RS-485, không có hạn chế nào về giao thức truyền dữ liệu được sử dụng, nhưng cấu trúc liên kết đường và hình sao không điển hình cho RS-232 và RS-422, do đó hoạt động của thiết bị đầu cuối trên mạng SHDSL có cấu trúc liên kết tương tự chỉ có thể thực hiện được ở chế độ bán song công. Đồng thời, trong các hệ thống có RS-232 và RS-422, địa chỉ thiết bị phải được cung cấp ở cấp độ giao thức, điều này không điển hình cho các giao diện thường được sử dụng trong mạng điểm-điểm.
Khi kết nối các thiết bị với các loại giao diện khác nhau thông qua SHDSL, cần tính đến thực tế là không có cơ chế duy nhất để thiết lập kết nối (bắt tay) giữa các thiết bị. Tuy nhiên, trong trường hợp này vẫn có thể tổ chức trao đổi, phải đáp ứng các điều kiện sau:
- phối hợp truyền thông và kiểm soát truyền dữ liệu phải được thực hiện ở cấp độ giao thức truyền dữ liệu thông tin thống nhất;
- tất cả các thiết bị đầu cuối phải hoạt động ở chế độ bán song công, chế độ này cũng phải được giao thức thông tin hỗ trợ.
Giao thức Modbus RTU, giao thức phổ biến nhất cho giao diện không đồng bộ, cho phép bạn tránh tất cả các hạn chế được mô tả và xây dựng một hệ thống duy nhất với các loại giao diện khác nhau.
Cấu trúc liên kết mạng nối tiếp dựa trên SHDSL
Khi sử dụng RS-485 hai dây trên thiết bị Bạn có thể xây dựng các cấu trúc phức tạp hơn bằng cách kết hợp các modem thông qua một bus trên đường ray DIN. Bộ nguồn có thể được lắp đặt trên cùng một bus (trong trường hợp này, tất cả các thiết bị đều được cấp nguồn qua bus) và bộ chuyển đổi quang của dòng PSI-MOS để tạo ra một mạng kết hợp. Một điều kiện quan trọng để hoạt động của một hệ thống như vậy là tốc độ của tất cả các bộ thu phát đều như nhau.
Các tính năng bổ sung của SHDSL trên mạng RS-485
Ví dụ ứng dụng
Công nghệ SHDSL được sử dụng tích cực trong các tiện ích đô thị ở Đức. Hơn 50 công ty phục vụ hệ thống tiện ích thành phố sử dụng dây đồng cũ để kết nối các đối tượng phân bổ khắp thành phố bằng một mạng lưới. Trước hết, hệ thống điều khiển và kế toán cung cấp nước, khí đốt và năng lượng được xây dựng trên SHDSL. Trong số các thành phố này có Ulm, Magdeburg, Ingolstadt, Bielefeld, Frankfurt an der Oder và nhiều thành phố khác.
Hệ thống dựa trên SHDSL lớn nhất được tạo ra ở thành phố Lübeck. Hệ thống có cấu trúc kết hợp dựa trên Ethernet quang và SHDSL, kết nối 120 đối tượng ở xa nhau và sử dụng hơn 50 modem . Toàn bộ mạng được chẩn đoán bằng SNMP. Đoạn dài nhất từ Kalkhorst đến Sân bay Lübeck dài 39 km. Lý do công ty khách hàng chọn SHDSL là vì việc triển khai dự án hoàn toàn bằng quang học là không khả thi về mặt kinh tế do có sẵn các loại cáp đồng cũ.
Truyền dữ liệu qua vòng trượt
Một ví dụ thú vị là việc truyền dữ liệu giữa các vật thể chuyển động, chẳng hạn như được thực hiện trong tua bin gió hoặc máy xoắn công nghiệp lớn. Một hệ thống tương tự được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các bộ điều khiển đặt trên rôto và stato của nhà máy. Trong trường hợp này, một tiếp điểm trượt qua vòng trượt được sử dụng để truyền dữ liệu. Những ví dụ như thế này cho thấy rằng không cần thiết phải có một tiếp điểm tĩnh để truyền dữ liệu qua SHDSL.
So sánh với các công nghệ khác
SHDSL và GSM
Nếu chúng ta so sánh SHDSL với các hệ thống truyền dữ liệu dựa trên GSM (3G/4G), thì việc không có chi phí vận hành liên quan đến các khoản thanh toán thường xuyên cho nhà điều hành để truy cập mạng di động sẽ có lợi cho DSL. Với SHDSL, chúng tôi độc lập với vùng phủ sóng, chất lượng và độ tin cậy của thông tin di động tại một cơ sở công nghiệp, bao gồm cả khả năng chống nhiễu điện từ. Với SHDSL, không cần phải cấu hình thiết bị, điều này giúp tăng tốc quá trình vận hành cơ sở. Mạng không dây được đặc trưng bởi độ trễ lớn trong việc truyền dữ liệu và khó truyền dữ liệu bằng lưu lượng phát đa hướng (Profinet, Ethernet IP).
Bảo mật thông tin có lợi cho SHDSL do không có nhu cầu truyền dữ liệu qua Internet và nhu cầu định cấu hình kết nối VPN cho việc này.
SHDSL và Wi-Fi
Phần lớn những gì đã nói về GSM cũng có thể được áp dụng cho Wi-Fi công nghiệp. Khả năng chống nhiễu thấp, khoảng cách truyền dữ liệu hạn chế, sự phụ thuộc vào cấu trúc liên kết của khu vực và độ trễ trong truyền dữ liệu là những yếu tố cản trở Wi-Fi. Hạn chế quan trọng nhất là tính bảo mật thông tin của mạng Wi-Fi, vì bất kỳ ai cũng có quyền truy cập vào phương tiện truyền dữ liệu. Với Wi-Fi, bạn đã có thể truyền dữ liệu IP Profinet hoặc Ethernet, điều này sẽ khó khăn với GSM.
SHDSL và quang học
Trong phần lớn các trường hợp, quang học có lợi thế lớn hơn SHDSL, nhưng trong một số ứng dụng, SHDSL cho phép bạn tiết kiệm thời gian và tiền bạc khi lắp đặt và hàn cáp quang, giảm thời gian đưa cơ sở vào hoạt động. SHDSL không yêu cầu các đầu nối đặc biệt vì cáp truyền thông chỉ được kết nối với thiết bị đầu cuối của modem. Do tính chất cơ học của cáp quang nên việc sử dụng chúng bị hạn chế trong các ứng dụng liên quan đến truyền thông tin giữa các vật thể chuyển động, trong đó dây dẫn đồng phổ biến hơn.
Nguồn: www.habr.com